大口径望远镜次镜组件的碳纤维支撑桁架的制作方法

本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种大口径望远镜次镜组件的碳纤维支撑桁架结构。

背景技术：

大口径望远镜镜头通常采用反射式光学系统，一般由主镜组件和次镜组件构成。对于望远镜镜头来说，两块反射镜的相对位置精度是保证系统成像质量的关键。而次镜组件位于整个光学系统的最远端，为减小地面装调状态下重力引起的主次镜组件相对位置变化，对次镜组件支撑结构的刚度以及次镜组件与支撑结构的质量提出了较高要求。

次镜组件支撑结构常采用一体式三幅/四辐框架与前端桁架结构连接，即次镜组件安装面相对于整体框架的安装接口来说为大悬臂结构。而在大口径望远镜系统中，次镜组件支撑结构直径通常超过1m，甚至达到2m-3m量级，因此采用一体式框架存在以下缺点：

1)为减小光学系统遮拦比，位于中心位置的次镜组件和三幅/四辐杆尺寸不宜过大，这将导致次镜组件支撑框刚度不足，难以保证次镜组件的空间位置，从而影响光学系统成像质量；

2)三幅/四辐框架的大悬臂结构容易导致加工变形，无法满足次镜组件安装面微米级的加工精度要求；

3)一体式框架一般采用钛合金等金属整体铸造成型，其结构质量大，导致前端桁架的设计难度大幅增加。

技术实现要素：

为了解决次镜组件一体式支撑框架刚度低、加工易变形等问题，本发明提供了一种大口径望远镜次镜组件的碳纤维支撑桁架，该结构能有效提高次镜组件支撑结构的刚度，进一步减小光学系统次镜端的总重量。

本发明采用的技术方案如下：

一种大口径望远镜次镜组件的碳纤维支撑桁架，包括环形桁架组件与桁架承力组件，其特殊之处在于：

上述环形桁架组件包括n组第一桁架杆和n个连接接头，n组第一桁架杆通过n个连接接头首尾相连，形成封闭式环形结构(即正多边形构型)；上述桁架承力组件包括中心次镜组件支撑架及m辐第二桁架杆，中心次镜组件支撑架提供次镜组件的安装接口，m辐第二桁架杆的一端分别通过内连接接头与中心次镜组件支撑架连接固定，m辐第二桁架杆的另一端分别通过外连接接头与环形桁架组件连接固定，其中m、n均为大于等于2的正整数。

进一步地，为了降低整个光学系统次镜端的质量，减小前端桁架设计难度，第一及第二桁架杆的材料为碳纤维复合材料。

进一步地，上述中心次镜组件支撑架采用碳纤维复合材料铺制而成，其与次镜组件的接口位置均埋设有金属预埋件。

进一步地，该碳纤维支撑桁架，还包括m个固定连接座；

上述固定连接座均布并固定在环形桁架组件上，上述外连接接头通过固定连接座与环形桁架杆连接。

进一步地，上述固定连接座包括连接平端面、套筒结构及底座，上述连接部平端面用于与外连接接头面面接触进行固定；上述套筒结构套装固定在各第一桁架杆的中部；上述底座提供了该次镜组件碳纤维支撑桁架与前端桁架的连接接口。

进一步地，上述n等于八，m等于四。

进一步地，四辐第二桁架杆的截面形状为矩形。

进一步地，上述连接接头、内连接接头和外连接接头均为钛合金材料。

进一步地，第一桁架杆与连接接头胶接固定；

固定连接座与第一桁架杆胶接固定；

内连接接头与中心次镜组件支撑架及第二桁架杆胶接固定；

外连接接头与固定连接座通过螺钉固定。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用离散式桁架支撑结构代替一体式框架结构，大幅提高了支撑结构的比刚度和比强度，同时加工不易变形，降低了加工的难度和周期。

2、本发明采用碳纤维复合材料制作主要结构件，降低了整个光学系统次镜端的质量，从而使前端桁架的设计难度大大减小。

附图说明

图1为实施例中望远镜主支撑系统轴侧图；

图2为实施例中大口径望远镜次镜组件碳纤维支撑桁架轴侧视图；

图3为实施例中固定连接座结构示意图；

图4为实施例中外连接接头结构示意图；

图5为实施例中内连接接头结构示意图；

图中附图标记为：

1-前端桁架，2-环形桁架组件，21-第一桁架杆，22-连接接头，3-固定连接座，31-连接平端面、32-套筒结构，33-底座，4-桁架承力组件，41-中心次镜组件支撑架，42-第二桁架杆，43-内连接接头，44-外连接接头，441-第一连接部，442-第二连接部，5-次镜组件。

具体实施方式

本发明的发明思想为：采用离散式桁架支撑结构代替一体式框架结构，同时使用高比刚度的碳纤维复合材料代替传统金属材料，从而大幅提升支撑结构刚度，降低加工难度。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

如图1和图2所示，本实施例大口径望远镜次镜组件的碳纤维支撑桁架，包括环形桁架组件2、桁架承力组件4和固定连接座3。环形桁架组件2包括八组第一桁架杆21和八个连接接头22，八组第一桁架杆21通过八个连接接头22首尾相连，形成封闭式环形结构(即正八边形结构)；其他实施例中桁架杆及连接接头的个数可以相应调整。本实施例中为四辐式的桁架承力组件，包括中心次镜组件支撑架41、第二桁架杆42、内连接接头43和外连接接头44。其他实施例中也可以用任意m辐桁架杆代替四辐杆式的桁架承力组件。中心次镜组件支撑架41提供次镜组件5的安装接口，两者连接位置均埋设有金属预埋件；第二桁架杆42一端通过内连接接头43与中心次镜组件支撑架41连接，另一端通过外连接接头44与外侧四组固定连接座3对应连接。从图4可以看出，本实施例外接接头包括第一连接部441及第二连接部442，第二桁架杆42套接在第一连接部441上，并粘接固定，第二连接部442与固定连接座3固定连接。从图5可以看出，本实施例内连接接头43包括两个连接部，两个连接部分别套接在中心次镜组件支撑架41及第二桁架杆42中。从图3可以看出，固定连接座3包括连接平端面31、套筒结构32及底座33，外连接接头44的一个侧面与连接平端面31进行面面接触后通过螺钉紧固。套筒结构32上留有注胶孔，套筒结构32套接并粘接至上述其中四根所述第一桁架杆21中部，间隔布置，固定连接座3的底座33提供了整体次镜组件碳纤维支撑桁架与前端桁架1的连接接口。

第一桁架杆21为碳纤维复合材料，采用湿法缠绕成型。第二桁架杆42也为碳纤维复合材料，其截面形状为矩形。中心次镜组件支撑架41采用碳纤维复合材料铺制而成，其与次镜组件5的连接位置均埋设有金属预埋件。上述连接接头、内连接接头和外连接接头均为钛合金材料。

装配过程：首先，通过胶接使八组第一桁架杆21通过八个连接接头22首尾相连，形成封闭式环形结构。粘接前，确保四组固定连接座3已套接至上述其中四根所述桁架杆21中部。将中心次镜组件支撑架41、四辐第二桁架杆42、内连接接头43和外连接接头44装配形成四辐式碳纤维承力组件。其次，使用螺钉连接环形桁架组件2和四辐式的桁架承力组件4。最后，通过固定连接座3的注胶孔向固定连接座3和第一桁架杆21的间隙内注射胶水，待胶层固化，即可完成大口径望远镜次镜组件的碳纤维支撑桁架装配。